一種用于激光雷達的微振鏡設計

陸 英

(徐州工業職業技術學院機電工程學院,江蘇 徐州 221140)

1 引 言

隨著5G技術的不斷發展,自動駕駛技術的迎來了新一輪的發展熱潮,已成為當今世界的科學技術焦點之一,無線雷達、毫米波雷達和激光雷達是自動駕駛中提供反饋的重要傳感器裝置[1-3]。其中激光雷達由于其高的探測分辨率和快速的響應成為自動駕駛汽車在100 km/h車速運動下的必備[4-5]。在ICVCTO峰會上華為全球首發了96線符合車規級具備量產能力的激光雷達產品,北汽極狐HBT成為首個搭載華為量產激光雷達的車型。

激光雷達主要分為機械型和固態型。機械型由于體積大價格昂貴已逐漸被固態型取代[6-8],固態型激光雷達又分為MEMS型和相控陣型,相控陣型被認為是最理想的激光雷達產品,具有無機械部件和精度高的優點,但當前由于技術成熟度和價格等原因還不能量產,所以當前研究的熱點集中在MEMS型激光雷達上。MEMS型激光雷達的掃描機構為可旋轉的MEMS振鏡,體積小集成度高[9]。文獻[10]設計了MEMS和陣列APD組成的激光雷達,探測距離20 m,測距精度40 cm。但當前MEMS的制造工藝使其MEMS鏡面的有效通光口徑有限,最大的僅為7 mm,這制約了激光雷達的探測距離[11-13]。

為了進一步提升激光雷達探測距離,擴大掃描振鏡通光口徑,本文設計了基于電磁式的12 mm直徑的激光振鏡,提出了“工形”的機械結構方案,并利用Nastran軟件進行了力學仿真分析,一階模態為304 Hz,并搭建試驗平臺測試了微振鏡的偏轉角度和諧振頻率等性能。實驗結果表明:激光微振鏡的一階諧振頻率為298 Hz,與仿真結果相比誤差為2 %,最大偏轉角度為8.12°。

2 微振鏡激光雷達系統

微振鏡激光雷達系統主要分為激光發射端,激光接收端,光束掃描端和 MCU 控制端四個部分,如圖1所示。

圖1 微振鏡激光雷達原理框圖

在激光發射端,主要包括脈沖激光器和發射光學系統,脈沖激光器負責發射Barker脈沖序列,發射光學系統一般選用激光二極管配合激光準直光學系統來完成,實現mrad量級的發散角要求。在激光接收端,主要包括接收光學系統,單管APD/APD陣列和放大處理電路。接收光學系統一般采用魚眼透鏡以增大接收光學視場,光信號經過APD接收通過一系列電流放大和電壓放大處理,提供給MCU,以進行每個點的測距處理。光束掃描端主要包括光束掃描微振鏡和驅動控制,MCU通過電機驅動控制激光微振鏡進行掃描,從而擴大激光雷達視場,達到多線束的目的。MCU控制微振鏡掃描和APD采集進行協同工作,最終形成3D點云文件,實時確定目標形狀及位置[14-15],如圖2所示。

圖2 典型激光雷達3D點云圖像

3 電磁式微振鏡設計

3.1 機械機構設計及理論分析

電磁式微振鏡是利用法拉第電磁感應定律設計而成的,主要分為四個部分,包括發射鏡、金屬彈片、線圈和磁鋼,如圖3所示。通過給線圈供電,產生電磁力的激勵,使鏡子發生偏轉,MCU產生特定頻率的正弦信號使金屬振片帶著反射鏡負載工作在諧振狀態,從而實現光束掃描的功能。

圖3 電磁式微振鏡機械設計

當微振鏡系統發生角度θ偏轉時,反射鏡以金屬振片中心軸為轉動軸開始轉動,系統的力矩平衡方程如下:

(1)

其中,I為振鏡的轉動慣量;D為阻尼系數;K為扭轉剛度;M為線圈與磁鐵產生的扭轉力矩。

振鏡主要包括K9玻璃反射鏡、金屬振片和磁鋼,它們共同作用產生的轉動慣量可以寫做:

(2)

其中,ρs,Rs和ts為玻璃反射鏡的密度、半徑和厚度；ρm,Rm和tm為金屬振片的密度、寬度和厚度；ρc,Rc和tc為磁鋼的密度、半徑和厚度。扭轉剛度K可以表示為:

(3)

當微振鏡繞軸做機械諧振時,諧振頻率為:

(4)

反射鏡能夠偏轉的最大角度可以估計為:

(5)

其中,ξ為阻尼系數,在這里我們按照空氣阻尼模型計算,阻尼系數為0.0011。因此所需的力矩M為:

M=θ(ωn)·2ξI

(6)

其中,M=F·L,F為安培力;L為力的作用距離。

F=kNBIL

(7)

其中,N為線圈匝數;B為磁感應強度;L為每匝線圈在磁場中的有效長度;k為常數,通過更換線圈和磁鐵來實現。

3.2 激光振鏡機械仿真

利用Nastran進行有限元仿真,微振鏡系統各元件尺寸和材料參數如表1和表2所示。

表1 微振鏡系統尺寸參數表

表2 微振鏡系統材料參數表

將上述尺寸參數和材料參數代入到Nastran進行網格繪制并有限元計算,得到的模態振型及頻率如圖4所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

從上面的仿真結果可以看出一階模態為304.93 Hz,二階模態為400.47 Hz,三階模態為1371.8 Hz,四階模態為2062.9 Hz。一階模態和二階模態有約96 Hz的頻率裕量,因此振鏡在1階模態頻率上穩定工作。

4 測試試驗及結果分析

根據表1和表2的參數機械加工激光微振鏡實物如圖5所示。

圖5 激光微振鏡實物圖

4.1 諧振頻率測試

利用掃頻法可以得到微振鏡的一階模態頻率,即通過給線圈施加從1～500 Hz的正弦信號,測量振鏡的轉角大小變化。如圖6所示即為不同頻率下振鏡的擺動幅度變化,在298 Hz出達到峰值,與仿真結果304 Hz基本符合,誤差為2.0 %,驗證了仿真的正確性和可行性。

圖6 激光微振鏡諧振頻率測試圖

4.2 偏轉角度測試

利用加工好的激光微振鏡搭建如圖7所示的實驗平臺。激光器發出一束準直光束,通過激光微振鏡進行掃描,在一定距離下放置坐標紙,通過讀取坐標紙的長度計算振鏡的最大偏轉角度。

圖7 實驗平臺示意圖

鏡子偏轉的角度可用如下公式進行計算:

(8)

其中,m為激光微振鏡到坐標紙的距離;l為光束在坐標紙上的距離,示意圖如圖8所示。

圖8 角度計算示意圖

實際測量中測得激光微振鏡到坐標紙的距離為900 mm,光束在坐標紙上的距離為256.8 mm。因此計算得到鏡子偏轉角度為8.12°,如圖9所示。

圖9 角度范圍測試圖

在測試角度范圍的同時,也測試的微振鏡的角度精度,因為微振鏡一直處于諧振狀態,本文測試了最大角度的角度精度,角度精度優于0.005°。

圖10 角度精度測試圖

本文設計的微振鏡的反射鏡尺寸達12 mm,比傳統的MEMS振鏡負載反射鏡約大2倍,所能接收到的能量是MEMS式激光雷達的4倍,因此在不改變激光光源和探測器的條件下,本文所設計的電磁式微振鏡的激光雷達系統的探測距離約為MEMS式激光雷達的4倍。

5 結 論

為適應當前車載激光雷達領域對探測距離的要求,本文設計了一種基于電磁式的激光振鏡,振鏡采用“工形”的機械結構方案,利用Nastran軟件進行了力學仿真分析,一階模態為304 Hz,并搭建試驗平臺測試了微振鏡的偏轉角度和諧振頻率性能。實驗結果表明:激光微振鏡的一階諧振頻率為298 Hz,誤差約為2 %,最大偏轉角度為8.12°。對車載激光雷達擴大探測距離提供一種可行性方案。